DD150799A1

DD150799A1 - ARRANGEMENT FOR IMPROVING THE SURFACE QUALITY OF PAINTED WORKSTUECKE

Info

Publication number: DD150799A1
Application number: DD22048280A
Authority: DD
Inventors: Horst Weber; Hans G Lutze; Gunter Foerster; Klaus Schuricht; Ulrich Hoefer; Peter Zimmermann
Original assignee: Horst Weber; Hans G Lutze; Gunter Foerster; Klaus Schuricht; Ulrich Hoefer; Peter Zimmermann
Priority date: 1980-04-16
Filing date: 1980-04-16
Publication date: 1981-09-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbesserung der Oberflaechenqualitaet von mit geometrisch bestimmter Schneide gespanten Werkstuecken durch Feststellung von Anomalien hinsichtlich Oberflaechenverschleisz, Korrosion, Rauheit, Verfestigung, Eigenspannungen sowie Standzeit der Werkzeuge waehrend d. Spanungsprozesses, insbesondere beim Drehen und Fraesen. Ziel der Erfindung ist, das Arbeiten in unguenstigen Frequenzbereichen auszuschlieszen, um eine Qualitaetsminderung der gespanten Teile zu vermeiden. Die erfindungsgemaesze Anordnung enthaelt einen in Werkzeugnaehe befestigten Schwingungsaufnehmer zur laufenden Schwingungsmessung, einen intergrierenden Tiefpasz u. einen Spitzenwertgleichrichter mit Regelverstaerker zum Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert, wobei nach Ueberschreitung dieses Sollwertes analoge, rechentechnisch verwertbare Signale zur Verfuegung stehen, die z.B. zur AC-Steuerung einer Werkzeugmaschine genutzt werden koennen. In einem digitalen Auswerteteil erfolgt eine Unterdrueckung kurzzeitiger Stoerimpulse des Schwingungsspektrums, indem jede Sollwertueberschreitung infolge Einsatz einer Impulsverriegelung nur dann eine Ausgangsinformation bewirkt, wenn die Zeitdauer der Sollwertueberschreitung groeszer als die Haltezeit eines internen Zeitgliedes ist.The invention relates to an arrangement for improving the surface quality of machined with geometrically defined cutting workpieces by detecting anomalies in terms of Oberflaechenverschleisz, corrosion, roughness, solidification, residual stresses and tool life during d. Cutting process, especially when turning and milling. The aim of the invention is to exclude working in unfavorable frequency ranges, in order to avoid a deterioration in quality of the machined parts. The erfindaesze arrangement includes a tool mounted near the vibration sensor for the current vibration measurement, an integrating Tiefpasz u. a peak rectifier with Regelverstaerker for comparison with a predetermined setpoint, which after exceeding this setpoint analog, computationally usable signals are available, the. can be used for AC control of a machine tool. In a digital evaluation part, there is a suppression of short-term interference pulses of the oscillation spectrum in that each setpoint exceedance as a result of using a pulse lock effects output information only if the time duration of the setpoint exceedance is greater than the hold time of an internal timer.

Description

Anordnung zur Verbesserung der Oberflächenqualität gespanter WerkstückeArrangement for improving the surface quality of machined workpieces

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verbesserung der Oberflächenqualität gespanter Werkstücke durch Peststellung von Anomalien von mit geometrisch bestimmter Schneide gespanten Oberflächen hinsichtlich Oberflächenverschleiß, Korrosion, Rauheit, Verfestigung und Eigenspannungen sowie der Standzeit der Werkzeuge in Abhängigkeit der Bearbeitungsparameter während des Spanungsprozesses, insbesondere beim Drehen und Fräsen.The invention relates to an arrangement for improving the surface quality of machined workpieces by plotting anomalous surfaces cut with geometrically defined cutting surface wear, corrosion, roughness, solidification and residual stresses and tool life as a function of machining parameters during the cutting process, especially when turning and milling ,

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Bekannt sind nach DD Y/P 116 088 und DE OS 2 645 902 Lösungen zur Ermittlung des Oberflächenverschleißverhaltens von auf Verschleiß beanspruchten Werkstücken, indem beschichtete oder unbeschichtete Werkstoffproben mittels Reibrad auf Reibfestigkeit untersucht werden. Die Ermittlung der Rauheit der Werkstücke ist nach DD Y/P 131 200 während der Bearbeitung und nach DE OS 2 620 895 am bearbeiteten V/erkstück durch mechanische Abtastung der Werkstückoberfläche möglich. Das Korrosionsverhalten der Werkstücke wird nach DD Y/P 124 079 durch Messung des Y/erkstoffabtrags bei Einwirkung eines aggressiven Mediums ermittelte In DD Y/P 121 680 wird ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit ferromagnetischer Werkstücke durch Ausnutzung des magnetischen Barkhauson-Effektes vorgestellt.Characteristic of the Known Technical Solutions According to DD Y / P 116 088 and DE OS 2 645 902, solutions are known for determining the surface wear behavior of workpieces subject to wear by examining coated or uncoated material samples by friction wheel for friction resistance. The determination of the roughness of the workpieces is possible according to DD Y / P 131 200 during machining and in accordance with DE OS 2 620 895 on the machined workpiece by mechanical scanning of the workpiece surface. The corrosion behavior of the workpieces is determined according to DD Y / P 124 079 by measuring the erosive material removal under the action of an aggressive medium. In DD Y / P 121 680 a method for determining the surface condition of ferromagnetic workpieces by utilizing the magnetic Barkhauson effect is presented.

Diese bekannten technischen Lösungen haben den Nachteil, daß sie größtenteils nacheinander in langwierigen Laboruntersuchungen realisiert werden. Die genannten Eigenschaften gespanter Oberflächen werden jedoch weitgehend von den Bearbeitungsparametern und vor allem von der Dynamik des Spanbildungsvorganges beeinflußt. Dabei beeinflussen die dynamischen Erscheinungen nicht nur die Y/erkzeug-Standzeit, sondern insbesondere die genannten Eigenschaften gespanter Oberflächen,These known technical solutions have the disadvantage that they are largely realized sequentially in lengthy laboratory tests. However, the mentioned properties of machined surfaces are largely influenced by the processing parameters and above all by the dynamics of the chip formation process. The dynamic phenomena not only influence the tool life, but in particular the properties of machined surfaces,

Die Bedeutung von optimalen Bearbeitungsparametern, d. h. die Anwendung optimaler Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe, die die Erreichung einer optimalen Standzeit garantieren, ist bekannt. Bekannt ist ferner die starke stochastische Streuung der Werkzeug-Standzeit, die nicht nur auf die Streuung der Werkstoff- und SchneidstoffChargen, sondern vor allem auf die standzeitverringernde Beeinflussung des Systems Y/erkzeugmaschine-Y/erkzeug-Y/erkstück durch die Dynamik des Spanungsvorganges zurückzuführen ist. Heuere Untersuchungen zeigen, daß diese dynamisch bedingten Verhältnisse erhebliche Anomalien von gespanten Oberflächen hervorrufen, die die Punktionszuverlässigkeit und Funktionssicherheit gespanter Teile in ihrem späteren Einsatz negativ beeinflussen. Resonanzerscheinungen im System Werkzeugmaschine-V/erkzeug-'.Verkstück ergeben sich in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit, resultierend aus der Spanlamellierungsfreauenz, insbesondere beim Drehen, als auch vorrangig resultierend aus der Schneideneingriffsfreauenz und teilweise der Spanlamellierungsfreouenz, insbesondere beim Fräsen. In Fig. 2 ist als Beispiel ein Freouenzschaubild ,30 (Amplitude als Funktion der Freauenz) gezeigt. Liegen die Y/erte für die Schnittgeschwindigkeit beispielsweise in einem solchen Gebiet, in den sich infolge der Übereinstimmung der Erregerfreouer.z mit einer Eigenfrecmenz hohe Amplituden ergeben, so ist in diesem Falle nicht nur ein Absinken der Standzeit um bis zu 70 % feststellbar, ohne daß sich dieses Verhalten durch irgendein Symptom, ζ. Β_β Rattern, bemerkbarThe importance of optimum processing parameters, ie the application of optimum cutting speeds and feed rates, which guarantee the achievement of an optimal service life, is known. Also known is the strong stochastic dispersion of the tool life, due not only to the dispersion of the material and SchneidstoffChargen, but especially on the life-reducing effect on the system Y / machine tool Y / erkstück by the dynamics of the clamping process is. Recent studies show that these dynamically induced conditions produce significant anomalies of scaffolded surfaces that adversely affect the puncture reliability and reliability of machined parts in their later use. Resonance phenomena in the machine tool tooling system are a function of the cutting speed resulting from chip lamination fancy, in particular during turning, and primarily as a result of the cutting engagement fuzziness and, in part, chip lamination freeness, in particular during milling. In Fig. 2 is shown by way of example a Freuezschaubild, 30 (amplitude as a function of Freauenz). If, for example, the values for the cutting speed are in such an area that high amplitudes result as a result of the correspondence of the excitation frequency with an intrinsic freedom, then not only is the service life reduced by up to 70 % in this case, without that this behavior is due to some symptom, ζ. Β _β rattling, noticeable

macht, sondern auch eine Verschlechterung des Oberflächenverschleißes (Pig. 3) und des Korrosionsverhaltens (Fig. 4).but also a deterioration of the surface wear (Pig. 3) and the corrosion behavior (Fig. 4).

Die bisherige Art des Drehens und Präsens hat bei der Auswahl optimaler Bearbeitungsparameter hinsichtlich des Verhaltens gespanter Oberflächen folgenden Hauptnachteil:The previous type of turning and present has the following main disadvantage when selecting optimal machining parameters with regard to the behavior of machined surfaces:

Dynamisch bedingte ungünstige Bearbeitungsparameter sind, wenn ihre Anwendung nicht zur Konseauenz desRatterns führt (Überschreitung der Grenzspanungsbreite) weder vor noch während der Bearbeitung in ihren Auswirkungen auf die Oberflächenaualität erkennbar. Sie werden erst entweder nach Erfüllung der Pertigungsaufgäbe durch außerordentlich hohen Werkzeugverschleiß oder durch umfangreiche Laboruntersuchungen (Messung der Oberflächenrauheit, Verfestigung, Eigenspannung, Korrosionsverhalten, Oberflächenverschleißverhalten) dokumentiert·Dynamically induced unfavorable machining parameters, if their application does not lead to the consistency of the rattle (exceeding the limit clamping width), can be recognized neither before nor during their effects on the surface accuracy. They are documented either only after completion of the production process by extremely high tool wear or by extensive laboratory investigations (measurement of surface roughness, solidification, residual stress, corrosion behavior, surface wear behavior).

Liegt beispielsweise die Lösung für eine optimale Schnittgeschwindigkeit, einen optimalen Vorschub und eine optimale Standzeit nach einem Programm der Bearbeitungsoptimierung in einem solchen, kaum vorher bestimmbaren Resonanzbereich, so ist das optimale Verhalten gespanter Oberflächen hinsichtlich der genannten Kriterien in Frage gestellt. Es besteht die Wahrscheinlichkeit verfrühten Ausfalles dieser Teile v/ährend ihres späteren Einsatzes.If, for example, the solution for an optimal cutting speed, an optimum feed and an optimal service life according to a program of machining optimization lies in such a hardly determinable resonance range, then the optimal behavior of machined surfaces with regard to the mentioned criteria is called into question. There is a likelihood of premature failure of these parts during their later use.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, das Arbeiten in für die herzustellende Oberfläche ungünstigen Freouenzbereichen, speziell beim Drehen und Fräsen, auszuschließen, um eine Qualitätsminderung der gespanten Teile und eine Standzeitverringerung der Y/erkzeuge zu vermeiden,The aim of the invention is to preclude working in unfavorable areas for the surface to be produced, especially during turning and milling, in order to avoid a reduction in the quality of the machined parts and a reduction in the tool life of the tools.

Darlegung des '.Vesens der ErfindungPresentation of the '.Vesens of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Verbesserung der Oberflächenoualität gespanter Werkstücke, speziell beim Drehen und Fräsen, unter Verwendung bekannter Schwingungsaufnehmer und Integrierverstärker mit Tiefpaß zu entwickeln und dabei die Ließgrößen so aufzubereiten, daß eineThe invention has for its object to develop an arrangement for improving the surface quality of machined workpieces, especially when turning and milling, using known vibration pickup and integrating amplifier with low-pass filter and thereby process the Ließgrößen so that a

Anzeige, Aufzeichnung bzw. rechentechnische Verarbeitung nach einem Optimierprogramm möglich ist, Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe unter Verwendung bekannter Schwingungsaufnehmer und Integrierverstärker mit Tiefpaß mittels einer Anordnung zur Verbesserung der Oberflächenoualität gespanter Y/erkstücke dadurch gelöst, daß die Anordnung im wesentlichen einen am oder in der Nähe eines Werkzeuges befestigten Schwingungsaufnehmer zur laufenden Schwingungsmessung, einen Integrierverstärker mit verstellbarer Empfindlichkeit, einen Tiefpaß, der die Resonanzfrequenz des Schwingungsaufnehmers sperrt, einen Spitzenwertgleichrichter und einen Regelverstärker zum Vergleich mit einem vorgegebenen Sollwert aufweist, wobei nach Überschreitung dieses Sollwertes analoge, rechentechnisch verwertbare Signale über Analogausgänge zur Verfügung stehen. Die Analogausgänge dienen zur Aufzeichnung und/oder Anzeige von Eigenschaften gespanter Oberflächen, wie Rauheit, zu erwartender Oberflächenverschleiß, zu erwartendes Korrosions- und Verfestirungsverhalten und der Y/erkzeugstandzeit· Daraufhin durchzuführende Schnittwertänderun^en sind entweder im Rahmen eines Rechnerprogrammes (interne 3earbeitungsoptimierung) oder seitens des Bedieners (Externe Bearbeitungsoptimierung und übliches Spanen) realisierbar. Zur digitalen Signalisierung einer Sollwertüberschreitung der Schwingungsamplitude weist die Anordnung eine Auswerteeinheit auf, die im wesentlichen aus einem Komparator mit einer Sollspannungsquelle, einem monostabilen Zeitglied, einer Konjunktion, einem steuerbaren Impulsgenerator, einem Anzeigeverstärker mit Anzeigeeinheit und einem Digitalausgang besteht. Dabei ist zur digitalen, weit-According to the invention, this object is achieved by using known vibration transducers and integrating amplifiers with low-pass filter by means of an arrangement for improving the surface quality of machined parts, in that the arrangement essentially comprises one at or in the vicinity of a tool mounted vibration sensor for current vibration measurement, an integrating amplifier with adjustable sensitivity, a low pass filter that blocks the resonant frequency of the vibration, a peak rectifier and a variable gain amplifier for comparison with a predetermined setpoint, after exceeding this setpoint analog, computationally usable signals via analog outputs to To be available. The analogue outputs serve to record and / or display properties of machined surfaces, such as roughness, expected surface wear, expected corrosion and hardening behavior and tool life · Cutting value changes to be carried out are either part of a computer program (internal machining optimization) or part of the operator (external machining optimization and usual machining) can be realized. For digital signaling of a setpoint exceeding the oscillation amplitude, the arrangement comprises an evaluation unit, which consists essentially of a comparator with a target voltage source, a monostable timer, a conjunction, a controllable pulse generator, a display amplifier with display unit and a digital output. Here, the digital, far-

"O gehend störsicheren Auswertung des Ausgangssignales des Spitzenwertgleichrichters der mit diesem verbundene Komparator zum Sollwertvergleich dieses Signales an die Sollspannungsquelle angekoppelt. Die am Komparatоrausgang auftretende Signalünderung dient zur /лsteuerung des monostabilen Zeitgliedes, dessen Ausgangssignal mit den Komparator-Ausgangssignal durch die Konjunktion derart verknüpft ist, daß zur Unterdrückung The signal excitation occurring at the comparator output serves to control the monostable timer whose output signal is linked to the comparator output signal by the conjunction in such a way that the output signal of the peak rectifier is coupled to the comparator connected to it. that for suppression

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von Störimpulsen nur ein Komparator-Ausgangssignal, dessen Zeitdauer größer als die Haltezeit des monostabilen Zeitgliedes ist, ein Schaltsignal am Ausgang der Konjunktion auslöst. Dieses Schaltsignal ist zum einen über den Digitalausgang zur externen Auswertung verfügbar, zum anderen erfolgt damit die Ansteuerung des steuerbaren Impulsgenerators, dessen Wechselsignal nach Verstärkung im Anzeigeverstärker der Anzeigeeinheit zugeführt wird und damit eine gut auswertbare optische und/oder akustische Wahrnehmung der zu kontrollierenden Parameter gewährleistet.of glitches only a comparator output whose duration is greater than the hold time of the monostable timer, triggers a switching signal at the output of the conjunction. This switching signal is available on the one hand via the digital output for external evaluation, on the other hand so that the control of the controllable pulse generator, the alternating signal is supplied after amplification in the display amplifier of the display unit and thus ensures a well-evaluated optical and / or acoustic perception of the parameters to be controlled.

Aus führung sb e i sp i e1Execution sb e i sp i e1

Die Erfindung soll nachstehend durch ein Ausführungsbeispiel an Hand einer Zeichnung erläutert v/erden. Die zugehörige Zeichnung (Fig. 1) zeigt das Blockschaltbild der An-Ordnung.The invention will be explained below by an embodiment with reference to a drawing v / ground. The accompanying drawing (Figure 1) shows the block diagram of the on-order.

An einem oder in der Ilähe eines Werkzeuges 1 ist ein Schwingungsaufnehmer 2 angeordnet und mit einem Integrierverstärkker 3 mit verstellbarer Empfindlichkeit gekoppelt. Über einen Tiefpaß 4, der die Resonanzfrequenz des Schwingungs-At one or in the vicinity of a tool 1, a vibration sensor 2 is arranged and coupled to an integrating amplifier 3 with adjustable sensitivity. Via a low-pass filter 4, which determines the resonance frequency of the vibration

2Jb aufnehmers 2 sperrt, einen Spitzenwertgleichrichter 5 und einen Regelverstärker 6 sowie verschiedene Analogausgänge 7 bis 11 werden aufgrunu eines Vergleiches zwischen Sollamplituden und Istamplituden Angaben über Standzeitveränderungen, Änderungen des Oberflächenverschleißes, der Korrosion, der 2Jb receptacle 2 blocks, a peak rectifier 5 and a variable gain amplifier 6 and various analog outputs 7 to 11 are aufgrunu a comparison between nominal amplitudes and actual amplitudes information on service life changes, changes in surface wear, corrosion, the

2b ' Verfestigung und der Rauheit sowohl optisch angezeigt, aufgezeichnet als auch zur ".Veiterverwendung in einem Rechenprogramm aufbereitet. 2b ' solidification and the roughness both visually displayed, recorded and prepared for.'Veiterverwendung in a computer program.

Weiterhin erfolgt eine digitale Auswertung des Ausgangssignales des Spitzenvvertgleichrichters 5 durch Vergleichen dieses Signales mit dem Sollwert einer Sollspannungscuelle mittels eines !Comparators 12. Um die Einflußnahme von Stör-Signalen kurzer Zeitdauer auf den Auswertevorgang zu unterdrücken, erfolgt eine Und-Verknüpfung des Komparator-Ausgangssignales mit einem Verriegelungssignal, das aus einemFurthermore, a digital evaluation of the output signal of the peak-value rectifier 5 is carried out by comparing this signal with the nominal value of a nominal voltage source by means of a comparator 12. In order to suppress the influence of interference signals of short duration on the evaluation process, an AND operation of the comparator output signal ensues a locking signal, which consists of a

3Ü> monostabilen Zeitglied 14 gev/onnen wird, durch eine Konjunktion 15. Dabei wird durch das Xonparator-Ausgangssignal das monostabile Zcitglied 14 angesteuert und das während dessen Haltezcit auftretende Verriegelun^ssignal sperrt kurzzeitig3Ü> monostable timer 14 gev / onnen , by a conjunction 15. This is controlled by the Xonparator output signal, the monostable Zcitglied 14 and occurring during the Haltezcit Verriegelun ^ ssignal locks temporarily

die Konjunktion 15. Dadurch wird gewährleistet, daß nur Komparator-Ausgangssignale, deren Zeitdauer größer als die Haltezeit des monostabilen Zeitgliedes 14 ist, am Ausgang der Konjunktion 15 zur Verfügung stehen» Dieses am Ausgang der Konjunktion 15 auftretende Schaltsignal kann einmal am Digitalausgang 19 entnommen werden, zum anderen löst dieses Signal einen steuerbaren Impulsgenerator 16 aus, der über einen Anzeigeverstärker 17 eine Anzeigeeinheit 18 ansteuert. Dadurch tritt an dieser Anzeigeeinheit 18 ein für eine optische und/oder akustische Wahrnehmung besonders gut auswertbares Wechsel signal auf«.This ensures that only comparator output signals whose duration is greater than the hold time of the monostable timer 14, are available at the output of the conjunction 15 »This occurring at the output of the conjunction 15 switching signal can be taken once at the digital output 19 on the other hand, this signal triggers a controllable pulse generator 16, which controls a display unit 18 via a display amplifier 17. As a result, occurs on this display unit 18 for a visual and / or acoustic perception particularly well evaluable change signal on «.

Claims

invention claim

Arrangement for improving the surface quality of machined workpieces by plotting anomalous surfaces cut with geometrically determined cutting edges with regard to surface wear, corrosion, roughness, solidification and residual stresses as well as tool life as a function of the machining parameters during the machining process, in particular during turning and milling, under Use of known vibration sensors and integrating amplifier with low-pass filter, characterized in that the arrangement essentially comprises a vibration sensor (2) attached to or near a tool (1) for current vibration measurement, an integrating amplifier (3) with adjustable sensitivity, a low-pass filter (4) , which blocks the Resonanzfreauenz the vibration sensor (2), a peak rectifier (5), a control amplifier (6) for comparison with a predetermined setpoint, wherein after exceeding this. Setpoint value of analogous, computationally usable signals via analog outputs (7, 8, 9, 10, 11) are available, the display and / or recording of several parameters, eg. As the surface wear, the corrosion and Verfestigungsvcr-. and for the digital signaling of a setpoint exceeding an evaluation unit, consisting of a comparator (12), a Sollspannuiigsouelle (13), a monostable timer (T4), a conjunction (15), a controllable pulse generator ( 16), a display amplifier (17) with display unit (18) and a digital output (19) »is used.

2. Arrangement for improving the surface quality of machined workpieces according to item 1, characterized in that for a digital, largely interference-free evaluation of the Auogangssignales the peak value rectifier (5)

the comparator connected to it (12) for setpoint comparison of this signal to the Sollspannungsauelle (13) is coupled, wherein a comparator output signal is obtained and the occurring signal change for driving the monostable timer (14), whose output signal with the comparator output signal is connected by the conjunction (15) such that for the suppression of glitches only a comparator output whose duration is greater than the hold time of the monostable timer (14), a switching signal at the output of the conjunction (15) triggers and that this switching signal to on the other hand by means of the switching signal of the conjunction (15) of the controllable pulse generator (16) is driven, wherein for the gain and display of the resulting alternating signal of the controllable pulse generator (16) with the Display amplifier (17) and the display unit (18) gek is conflicting.

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